751

коэффициент усиления антенны; F( ) — диаграмма направленности антенны; Tÿ( ) — распределение яркостной температуры источников шума в пространстве; 4 — область интегрирования, охватывающая всю сферу вокруг антенны.

Для остронаправленных антенн интеграл в (7.6) можно приближенно оценить, если считать яркостную температуру источников шума постоянной в пределах главного (Тÿ.ãë) и боковых лепестков ДН. В этом случае формула (7.6) может быть преобразована к виду

ãäå i — номер бокового лепестка ДН; ãë è i — телесные углы главного и i-го бокового лепестка; Fi — уровень i-го бокового лепестка ДН, уровень главного лепестка ДН принят равным единице.

Во многих других случаях помеха приходит на антенну практически постоянной со всех направлений и Òÿ( ) является величиной, не зависящей от направления . Можно показать [20], что в этих случаях

На частотах ниже 100 МГц уровень ненаправленных помех обычно оценивается не шумовой температурой, а напряженностью поля помех Åï в полосе частот 1 кГц. При известной действующей длине антенны (lä) напряжение помехи на входе согласованного приемника определяется выражением [4]

а шумовая температура внешних шумов определяется выражением

Å2 2

T ï à ô , (7.10)

âí 960 2k

ãäå k — постоянная Больцмана.

Рассмотрим подробнее методы расчета уровня перечисленных помех и шумов. В большинстве своем они используют результаты экспериментальных исследований и представлены в виде графиков. Поскольку помехи являются случайными сигналами и описываются статистическими методами, то на

мышленные помехи имеют, как правило, вертикальную поляризацию.

К промышленным помехам можно условно отнести и сигналы от других радиостанций, работающих в данном частотном диапазоне. Уровень этих помех определяется конкретной обстановкой и может быть определен так же, как и уровень полезного сигнала. Исключение составляют короткие волны, которые могут распространяться на большие расстояния с малым ослаблением. Поэтому в точку приема приходят сигналы от многих станций земного шара. Их уровень на коротких волнах во многих случаях даже превосходит уровень атмосферных помех [4].

7.3. Космические помехи

Космические помехи создаются в основном радиоизлуче- нием Галактики. Она создает шум с непрерывным частотным спектром. Яркостную температуру космического шума можно определить по графику рис. 7.3 [4], на котором приведены максимальные и минимальные значения уровня косми- ческих шумов.

Рис.7.3. Зависимость яркостной температуры космических шумов и шумов атмосферы от частоты

Отдельные космические объекты также являются источником помех. Основным из них является Солнце, яркостная температура которого приведена на рис 7.4 [4]. Телесный угол для Солнца составляет 0,03 ст.

Tà, Ê

Ãîäû

максимума

Ãîäû

104 минимума

Солнце

Юпитер

103

Венера

Ëóíà

102

Рис. 7.4. Яркостная температура Солнца, Луны и планет

7.4. Шумы, созданные тепловым излучением Земли и атмосферы

Шумы, созданные тепловым излучением Земли, зависят от температуры ее поверхности и от того, какая часть диаграммы направленности антенны обращена в сторону Земли. Поэтому для уменьшения этих помех у остронаправленных антенн стараются уменьшить уровень боковых и заднего лепестков диаграммы направленности. Расчет шумовой температуры для этого случая ведут по формуле (7.7). Нагретые газы атмосферы (в основном тропосферы), яркостная температура которых определяется по графику на рис. 7.3, также создают шум. Уровень этих шумов зависит от наклона главного лепестка антенны к горизонту (угла места D ), поскольку при уменьшении этого угла увеличивается путь радиоволны в атмосфере.

В качестве примера рассмотрим вычисление шумовой температуры телевизионной антенны.

Пример. Определить мощность шумов на входе телевизионного приемника, если частота 100 МГц , полоса частот 6 МГц (примерно третий телевизионный канал), приемная антенна — симметричный полуволновый вибратор. Принять à 1; ô 0,9.

Решение

1.Собственные шумы приемника для частоты 100 МГц определяются по графику рис. 7.1 (транзисторная входная цепь)

èсоставляют Òïð 250 Ê .

2.Атмосферными помехами на этой частоте можно пренебречь (рис. 7.2).

3.Промышленные помехи определяются по графику

рис. 7.2. Напряженность поля помех En равна 10 дБ по отношению к 1 мкВ/м, т.е. En 3,1 10 6 В/м. Однако, как указывалось выше, эти данные характеризуют в основном вертикальный компонент электрического поля. Поскольку выделить горизонтальную составляющую помехи не представляется возможным, в дальнейшеим ее учитывать не будем.

4.Космические шумы характеризуются яркостной темпе-

ратурой Òÿ 700 К (см. рис. 7.3, средний уровень). Поскольку космические шумы приходят практически со всех направле-

ний, то согласно формуле (7.8) Òø.êîñì àÒÿ 700 К. Шумовую температуру Солнца можно было бы определить

по формуле (7.7), ограничиваясь интегрированием по телесному углу для Солнца. Это бы дало значение

1,64

Tø.Ñ 4 Òÿ.Ñ Ñ,

где 1,64 — КНД полуволнового вибратора (без учета влияния Земли). Однако данных по яркостной температуре Солнца на таких частотах в литературе нет. Поэтому шум Солнца в данном примере учитывать не будем.

5. Шумы, созданные тепловым излучением Земли и нагретой атмосферы, определим по формуле (7.7), распространив ее на телесный угол, равный 2 , под которым видна Земля из точ- ки расположения антенны. Яркостная температура Земли зависит от угла падения волны и определяется по формуле [4]

Tà T0 1 R 2 ,

ãäå R — коэффициент отражения от поверхности Земли, зависящий от угла падения, поляризации волны и свойств почвы.

Оценим приближенно интеграл в (7.6) по теореме о среднем значении. Для среднего угла падения, равного 45°, полу- чим

Здесь |R| 0,7 (горизонтальная поляризация, сухая почва, угол падения 45°); F(45°) 0,7 в плоскости вектора (проходящей через ось вибратора); F(45°) 1 в плоскости Í (перпендикулярной оси вибратора); телесный угол для полусферы составляет 2 .

6. Собственные шумы антенны и фидера определяются по формуле (7.3):

Tù.ñîá Ò0 (1 ô) ô (1 à ) 300(1 0,9) 30 K. Таким образом, шумовая температура внешних шумов

определяетсяв основном космическимишумами (Tø.êîñì 700 К) и тепловыми шумами Земли (Tø.Ç 86 К). Согласно формуле (7.4) полная шумовая температура шумов на входе приемника равна

Òø Òø.ïð Òø.ñîá ôÒø.âí 250 30 786 0,9 987 K. Для сравнения приведем данные по шумовой температуре приемных телевизионных антенн [21]: 1-й канал —15000 К;

2-й, 3-й каналы — 3000 К; 4-й канал — 300 К.

Расхождение в определении шумовой температуры проведенных расчетов и литературных данных объясняется тем, что в расчете не учитывались промышленные помехи, которые могут быть сравнимы с уровнем остальных помех.

В заключение оценим действующее значение напряжения шумов Uø на входе приемника через мощность шумов Pø и входное сопротивление приемника Rïð :

Таким образом, рассчитанное напряжение шумов на входе приемника гораздо меньше чувствительности типичного телевизионного приемника, составляющей 50–200 мкВ.

Контрольные вопросы

1.Назовите основные виды помех и причины их возникновения.

2.Какой смысл имеет термин «шумовая температура» антенны?

3.Какие виды помех являются преобладающими в различ- ных частотных диапазонах?

4.Что является источником атмосферных помех? Укажите частотный спектр атмосферных помех.

5.Объясните понятие «яркостная температура» источника помехи. Чему она равна для Земли, Солнца, космического пространства?

6.Опишите определение шумовой температуры антенны по известным яркостным температурам источников помех.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Долуханов М.П. Распространение радиоволн. -М.:Связь,1972.−336 с.

2.Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. -М.:Высш.шк,1975.−280 с.

3.Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. -М.: Советское радио,1972.− 458 с.

4.Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., Павельев Распространение

радиоволн: учебник 2-е изд. - М.: ЛЕНАНД, 2012. - 496 с.

5.Неганов В.А., Осипов О.В., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебник / под ред. В.А. Неганова и Б. Раевского. Изд. 4-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2009. - 744 с.

6.Морозов А. В., Нырцов А. Н., Шмаков Н. П. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Радиотехника, 2007. – 408 с.

7.Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн.− М.: Горячая линия-Телеком, 2007.−558 с.

8.Нефедов Е.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства : Учеб. пособие.- М.: Академия, 2010.- 320 с.

9.Янке Е., Эмдэ Ф., Леш Ф. Специальные функции.−М.: Наука. 1977.

−215 с.

10.Боков Л.А. Электромагнитные поля и волны: Учеб. Пособие.− Томск.

ТУСУР, 2003.− 214 с.

11.Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие. Изд. 4-е. - М.: Книжный дом «Либроком», 2010. - 544 с.

12.Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности.−М.:Изд. Дом «Наука».−546 с.

13.Сомов А.М., Старостин В. В. Распространение радиоволн: учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальностям в об. информ. безопасности / М.: Гелиос АРВ, 2010. - 264 с.

14.Долуханов М.П. Дальнее распространение ультракоротких волн. – М. Связьиздат,1962.−172 с.

15.Пономарев Г.А., Куликов А.Н., Тельпуховский Е.Д. Распространение УКВ в городе.− Томск.:МП РАСКО 1991.-223с.

16.Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям.−М.:

Сов. Радио.1976.−392 с.

17.Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ/ Под ред. У.К.Джейкса:

Пер. с анг./ Под ред. М.С.Ярлыкова, М.В. Чернякова.−М.:Связь, 1979.− 520 с.

18.Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. Учебное пособие для вузов.− М.: Радио и связь, 2002.−440 с.

19.Ефанов В.И.,Тихомиров А.А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем: Учеб. пособие.−Томск:

ТУСУР,2004.−298 с.

20.Ерохин. Г. А., Чернышев О. В., Козырев Н. Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / Под ред. Г. А. Ерохина. - 2-е изд. - М.: Горячая линияТелеком, 2004. – 491 с.

21.Кабельное телевидение./ Редактор В.Б. Витиевский.−М.: Радио и связь.- 1994−192 с.

22.Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM/ М.: Эко-Трендз.-2005.- 296 с.

23.Милютин Е.Р. Василенко Г. О., Сиверс М. А., Волков А. Н., Певцов Н.В. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона / СПб.:

Триада, 2003.- 159 с.